Termomacchine s. r. l.
Applicazione del riscaldo ad induzione alla solubilizzazione di acciai
austenitici
Trattamento termico tradizionale: definizione e prescrizioni generali di processo
Questo trattamento, denominato anche impropriamente “tempra di solubilizzazione” o
“tempra negativa” è quello al quale sono normalmente sottoposti gli acciai inossidabili
austenitici (AISI 304, AISI 316, ecc.).
Consiste nel riscaldare l’acciaio ad una temperatura sufficientemente alta in modo da
rimuovere le alterazioni strutturali dovute ai processi di fabbricazione, nel permanere a tale
temperatura per il tempo necessario a mandare in soluzione tutti i carburi (in special modo
quelli di cromo), da qui il nome di “solubilizzazione”, e nel raffreddare con sufficiente
rapidità in modo da prevenire la precipitazione degli stessi, che avviene mediamente
nell’intervallo 850 → 450 °C.
L’acciaio perviene con questo trattamento allo stato di massimo addolcimento. La struttura
risultante è formata da grani austenitici ben formati con dimensioni medie comprese
solitamente entro l’intervallo ASTM 6.5 – 8.5.
Tre sono i fattori che possono influenzare tale trattamento: la temperatura, la durata del
trattamento e la velocità di raffreddamento.
La temperatura del trattamento in forno varia grossomodo tra 1050 e 1100 °C per gli acciai
inossidabili, 1140 – 1200 °C nel caso degli acciai per valvole; il mantenimento dovrebbe
durare da 1 a 2 min per ogni mm di spessore del pezzo. Per particolari massivi il
mantenimento raggiunge, solitamente, 30 – 60 min. Temperature più elevate e
mantenimenti eccessivi portano irrimediabilmente all’ingrossamento dei grani senza alcun
beneficio.
Lo spegnimento può avvenire in acqua (finitura nera, richiede un successivo decapaggio),
in gas ventilato (per spessori sottili). Utilizzando azoto e idrogeno assolutamente esenti da
ossigeno si può ottenere una finitura brillante.
Vantaggi e svantaggi del processo tradizionale (forno)
1) Qualità del prodotto: da buona ad eccellente secondo la messa a punto del
processo, sia in termini di proprietà meccaniche (durezza, allungamento %,
resistenza a trazione) sia di resistenza alla corrosione. Può essere buona o
scadente, da un punto di vista della finitura superficiale, secondo gli accorgimenti
utilizzati per evitare l’ossidazione superficiale. E’ tuttora praticata la solubilizzazione
“in nero”, realizzata tramite riscaldo in forno senza atmosfera protettiva e
spegnimento in acqua.
2) Costo dei forni: elevato, causa le dimensioni, la costruzione accurata con perfetto
isolamento termico (strati di refrattari), la tenuta del gas, la potenza installata.
L’impiantistica asservita al forno comporta una spesa pari a circa il 30% del costo
del forno stesso.
3) Costi energetici: elevati, in termini di energia necessaria a portare in temperatura il
forno e mantenere a tale temperatura le cariche, per un’ora.
4) Costi ordinari di manutenzione elevati, con lunghi periodi di fermo impianto (sino a
20 giorni) in caso di sostituzione della volta, con spesa pari al 10 – 15% del costo
del forno.
5) L’inserimento di trattamenti termici in forno a camera comporta l’interruzione di un
processo produttivo in linea, richiedendo lo stoccaggio dei pezzi e il loro trasporto
da un settore ad un altro dello stabilimento; spesso succede che pezzi non trattati
siano, per errore, immessi in una fase successiva della produzione.
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I processi in linea permettono di assicurare un percorso produttivo senza interruzioni, con
un controllo effettivo, automatizzato, dei parametri di trattamento termico (temperatura,
composizione dell’eventuale atmosfera protettiva) e del prodotto in uscita (controlli non
distruttivi) da ogni unità di trattamento. I costi energetici sono relativamente contenuti,
l’allacciamento elettrico è semplice, la qualità del prodotto è accattabile o soddisfacente, in
molti casi paragonabile a quella raggiungibile con un trattamento tradizionale in forno. Il
costo di un impianto ad induzione, a parità di capacità oraria, è circa 1/3 del costo di un
forno tradizionale.
Solubilizzazione on – line mediante riscaldo ad induzione: principi e descrizione.
Il trattamento on – line ad induzione è un buon sostituto della solubilizzazione in forno; le
temperature sono più elevate rispetto ai forni tradizionali (es. acciai inossidabili serie AISI
3xx: 1150 – 1180 °C ad induzione contro 1050 - 1100 °C per il trattamento in forno
tradizionale) e talvolta non esiste la sezione di mantenimento (solubilizzazione dei tubi).
Il raffreddamento, sempre nel caso dei tubi, avviene in un tunnel tramite circolazione
forzata di un’opportuna miscela azoto/idrogeno.
Nel caso di particolari massivi si utilizza un liquido adatto (acqua o emulsione).
La minima durezza ottenibile, dopo trattamento, è circa 150 HV1 per i gradi AISI 304L e
316L. Il trattamento ad induzione, per ragioni di insufficiente mantenimento, non è
applicabile ad acciai inossidabili austenitici con oltre 3% di molibdeno. Tali acciai
richiedono, anche per il trattamento in forno, temperature molto elevate (1095 – 1120 °C).
Diagrammi per trattamento termico on - line
1) Diagramma di trattamento termico relativo a tubi d’acciaio inossidabile AISI 316:
2) Diagramma di trattamento termico relativo a particolari massivi in acciai austenitici per
esercizio ad elevate temperature, con elevata resistenza meccanica a caldo e buona
resistenza alla corrosione (acciai indurenti per precipitazione, suscettibili di un successivo
trattamento termico di “invecchiamento” o “aging”).
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Per questi acciai, il trattamento tradizionale prevede la solubilizzazione in forno a 1160 –
1180 °C per 60 min. La temperatura di un trattamento ad induzione efficace varia tra 1230
e 1330 °C con un mantenimento che può raggiungere 90’’ effettivi, secondo la
composizione dell’acciaio. Lo spegnimento deve essere drastico.
Esempi di solubilizzazione ad induzione e risultati metallurgici.
Esempio 1: solubilizzazione di tubo saldato in inox AISI 316.
Micrografia sopra: originale non trattato, fortemente incrudito (non è riconoscibile una
struttura a grani), attacco Cogne Unico 1000x
Il trattamento ad induzione comporta una parziale solubilizzazione dei carburi ma in
compenso il tubo in uscita ha una struttura ricristallizzata e addolcita (durezza circa 150 170 Vickers). Il tubo può essere piegato senza cricche.
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Sopra: campione trattato ad induzione. Sotto: solubilizzato in forno. Entrambi 500x
Esempio 2: solubilizzazione di particolare massivo in X50 CrMnNiNbN 21-9
Sopra: non trattato (forgiato) 500x. Grano ASTM N°10 - 11, circa 330 HV1.
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Sopra: solubilizzato ad induzione, attacco Cogne Unico 500x. Grano ASTM N°7.7 – 8.4,
durezza 281 – 303 HV1
Esempio 3: solubilizzazione di particolare massivo in X53CrMnNiN 21-9
Sopra: non trattato (forgiato). ASTM N° 11 – 12, 390 – 400 HV1. Sotto: solubilizzato ad
induzione, ASTM N° 7 – 8, durezza 276 – 327 HV1. Entrambe 100x.
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Sopra: stesso campione, attacco Cogne Unico, 500x
Tutti i risultati allegati rivelano l’efficacia del trattamento ad induzione, che permette di
ridurre la durezza iniziale del tubo trafilato (o in generale formato a freddo) o del pezzo
forgiato, tramite ricristallizzazione della struttura.
La scelta corretta dei parametri di trattamento (induttore, frequenza di lavoro, temperatura,
velocità di linea, ecc.) permette l’ottenimento del risultato metallurgico prefissato (durezza,
dimensioni del grano e proprietà meccaniche) evitando surriscaldi.
Bibliografia
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Stahl schlussel
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Laboratorio di metallurgia
Dott. Massimo MOSCA